基于HEC-RAS的躍進水庫潰壩洪水風險分析

摘 要：水庫大壩一旦發生潰壩，潰壩洪水會對下游造成毀滅性的影響。該文以黑龍江省五大連池市躍進水庫為研究對象，使用HEC-RAS軟件建立二維非恒定流潰壩模型，模擬躍進水庫潰壩后的洪水淹沒范圍和時間演變特征。研究結果可為水庫防洪搶險指揮和應急預案的編制提供理論依據。

關鍵詞：HEC-RAS；洪水模擬；潰壩洪水；洪水演進；躍進水庫

中圖分類號：TV122 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0071-04

Abstract： Once the reservoir dam breaks， the flood will have a devastating impact on the downstream. This paper takes Yuejin Reservoir in Wudalianchi City， Heilongjiang Province as the research object， establishes a two-dimensional unsteady flow dam-break model using HEC-RAS software， and simulates the flood inundation range and time evolution characteristics after the dam-break of Yuejin Reservoir. The research results can provide a theoretical basis for reservoir flood control and emergency command and emergency plan compilation.

Keywords： HEC-RAS; flood simulation; dam break flood; flood evolution; Yuejin Reservoir

水庫大壩潰壩是一種非常嚴重的災害，大壩因重大自然災害或遭遇人為破壞等原因導致潰壩，產生的潰壩洪水會對下游造成毀滅性的影響。如1975年8月發生在河南省駐馬店地區的潰壩事件，使29個縣市的1 100萬人口受災，造成2.6萬人死亡，直接經濟損失近百億元[1]。因此，國內外眾多學者對潰壩洪水分析和預測做了大量研究。付昕佳[2]對小溝井水利工程應用HEC-RAS和GIS建立潰壩模型，并結合故障樹理論進行洪水災害損失預測。蔣林杰等[3]對百花灘水電站擬定了9種潰壩分析方案，運用HEC-RAS進行洪水演進計算，為水電站防洪應急管理提供了理論依據。Zeiger等[4]使用集成建模方法耦合SWAT和HEC-RAS對城市進行降水和洪水模擬。李政鵬等[5]將BIM技術、GIS技術結合MIKE軟件建立前坪水庫一維、二維耦合模型，準確模擬了洪水演進過程和下游風險特征。梁駿等[6]對竹根池水庫進行了多種潰壩成因的洪水分析，評估了潰壩洪水對下游重點區域的影響。丁燦等[7]以大渡河枕頭壩水電站為研究對象，采用理論公式和HEC-RAS建立數值模型進行模擬，并用實測水文資料進行驗證，結果表明HEC-RAS數值模擬與理論公式完全吻合。

本文采用HEC-RAS對黑龍江省訥謨爾河支流上的躍進水庫進行潰壩洪水計算，得到潰壩條件下洪水淹沒范圍、水深、洪水演進特性等結果，為水庫汛期調度和應急搶險提供理論依據。

1 計算原理

1.1 軟件介紹

HEC-RAS（River Analysis System）是由美國陸軍工程兵團水文工程中心研發的一款用于一維水流分析的計算軟件，適用于河道穩定和非穩定流一維水力計算，主要分為4個模塊，分別為恒定流計算、非恒定流計算、泥沙輸運以及水質分析模塊[8]，功能強大，操作簡便[9]。

1.2 計算原理

控制水流的物理定律是質量守恒原理（連續）和動量守恒原理。這2個定律以偏微分方程的形式在數學上表達，以下稱之為連續性方程和動量方程。HEC-RAS軟件的二維非恒定流計算方程采用Navier－Stokes方程描述二維流體的運動[10]。

假設流動是不可壓縮的，質量守恒（連續）方程的非定常微分形式為

式中：t為時間，H為水位，hu和hv分別為x和y方向的水位分量，q為流量。

動量方程的非定常微分形式為

式中：u和v是x和y方向的速度分量，g是重力加速度，vt是水平渦粘系數，cf是底部摩擦系數，fu和fv分別是x和y方向的科里奧利參數。

模型采用迭代法求解上述（1）（2）（3）式。

2 潰壩洪水模擬

2.1 研究區域概況

黑龍江省五大連池市躍進水庫位于訥謨爾河北側的一條支流上，在五大連池市團結鎮西北方向5 km處，壩址地理位置為東經126°00′06″、北緯48°36′50″。躍進水庫始建于1966年，主河道長10 km，水庫控制流域面積為50 km2，經復核后水庫總庫容846×104 m3，正常蓄水位265.5 m，設計洪水位266.42 m（Q3%=58.3 m3/s），校核洪水位267.17 m（Q0.3%=127m3/s），汛期限制水位（死水位）259 m，工程等級為Ⅳ等，是一座以灌溉為主，兼顧防洪、水產養殖等綜合利用的小（1）型水庫。

2.2 二維模型構建

2.2.1 地形處理

在地理空間數據云網站上下載水庫周邊區域的30 m精度DEM數據，使用RAS Mapper將下載的tif格式文件構建為.hdf文件和.vrt文件，設置坐標系為EPSG：3857，至此地形圖層成功導入RAS Mapper并可以編輯。使用Bing Staellite在線地圖作為水庫周邊DOM影像，并疊加到DEM中。圖1為躍進水庫的DEM高程與DOM影像數據。

2.2.2 建立二維模型

在RAS Mapper中使用Storage Areas組件編輯水庫邊界，輸入水庫的水位-庫容曲線等相關參數。使用2D Flow Areas組件繪制下游模擬區，創建50 m×50 m的計算單元并設定糙率等相關系數，共22 745個計算單元。將水庫區域和下游模擬區域通過大壩連接，輸入壩頂高程、壩頂長度等相關參數。使用Boundary Condition Lines繪制一條與下游模擬區邊界貼近但平行的矢量線，設置模擬區邊界條件為Normal Depth，輸入河道邊坡系數，設置水庫邊界條件為LateralInterflowHydrograph，輸入300年一遇（校核）洪水過程線。潰壩形態方案采用Von Thun & Gillete[6]，潰口底寬59 m，大壩潰口示意圖如圖2所示。

2.3 模擬計算

在非恒定流計算界面設置模擬時段、時間步長等參數，開始非恒定流計算。

在計算過程中，計算單元大小和時間步長的長度對計算工作量有顯著影響，經多次試驗，選取恰當的計算單元密度和時間步長長度以獲得最優方案[10]。

3 計算結果及影響分析

3.1 淹沒范圍分析

潰壩洪水淹沒范圍如圖3所示。由水深分布數據可知，躍進水庫內最大水深為12.35 m，壩址下游至團結鎮的盆地區域水深為3～5 m，團結鎮下游為地形平坦的耕地區域，水深在1 m以下，淹沒范圍較大，直至匯入水庫南方8 km處的訥謨爾河。從整個水深分布區域來看，淹沒深度最大的區域集中在壩址下游盆地，局部地區水深達到6 m，經過下游盆地區域后，洪水向四周散開，水深橫向逐漸遞減。

3.2 洪水演進分析

本文依據300年一遇（校核）洪水過程線進行洪水演進，洪水歷時共20 h。洪水演進過程如圖4所示。潰壩發生的時間為00：00：00，由圖4可知，潰壩后洪水在00：30：00時從潰口行進了4 590 m，淹沒了連接團結鎮和永發村的009縣道，潰口出流速度達到6 m/s，洪峰以2 m/s的速度向下游推進。在團結鎮附近洪水的水面寬度在700～1 200 m，會對村莊產生一定淹沒影響。在01：00：00時洪水漫到團結鎮下游的耕地區域，由于地形平坦，洪水向四周分散，流速降低到0.5 m/s。03：00：00時躍進水庫洪水基本泄空，洪水行進到下游訥謨爾河流域，至此洪水匯入訥謨爾河，不再繼續行進。12：00：00時壩址附近洪水水位迅速減小，說明此時洪水由地下徑流等因素迅速消耗，在后續時間內，地表洪水將繼續緩慢減少，淹沒深度繼續減小。

3.3 下游淹沒影響

通過將淹沒范圍結合DOM影像數據分析，水庫潰壩后洪水將淹沒009縣道團結鎮-永發村段，公路淹沒長度1 800 m，最大淹沒深2 m，正常車輛無法通行。下游淹沒區域主要為農田，淹沒范圍為20 km2。本次模擬得到的洪水淹沒范圍雖然不包括村莊，但水庫在遭遇校核洪水，有潰壩風險時，水庫下游的團結鎮、永發村、前進村等村莊仍需要緊急疏散，以保護人民群眾生命財產安全。

4 結束語

文本采用HEC-RAS軟件建立二維非恒定流模型，以五大連池市躍進水庫為例進行潰壩洪水演算，得到了洪水淹沒范圍、淹沒深度和時間演變特征，并結合衛星影像圖對洪水造成的淹沒影響進行分析，結果可為躍進水庫的防洪調度管理和應急預案的編制提供理論依據。

參考文獻：

[1] 王國安.淮河“75·8”洪水垮壩的主要原因分析及經驗教訓[J].科技導報，2006（7）：72-77.

[2] 付昕佳.堤壩潰決災害損失評估研究[D].大連：大連理工大學，2019.

[3] 蔣林杰，付成華，程馨玉，等.基于HEC-RAS的百花灘水電站潰壩洪水演進過程及影響分析[J].人民珠江，2021，42（1）：65-72.

[4] ZEIGER S J， HUBBART J A. Measuring and modeling event-based environmental flows： An assessment of HEC-RAS 2D rain-on-grid simulations[J].Journal of Environmental Management， 2021（285）：112125.

[5] 李政鵬，皇甫英杰，李宜倫，等.基于BIM+GIS技術的前坪水庫潰壩洪水數值模擬[J].人民黃河，2021，43（4）：160-164.

[6] 梁駿，董占飛.基于HEC-RAS的竹根池水庫潰壩洪水風險研究[J].水利建設與管理，2024，44（1）：54-61.

[7] 丁燦，田忠，王韋.基于HEC-RAS和GIS的潰壩洪水計算[J].中國水運（下半月），2018，18（2）：179-181.

[8] 陳建峰，王穎，李洋.HEC-RAS模型在洪水模擬中的應用[J].東北水利水電，2006（11）：12-13，42，71.

[9] 謝加球，侯凱，王艷蘋，等.HEC-RAS水文分析軟件在水利水電工程中的運用[J].人民珠江，2013，34（4）：29-32.

[10] 楊敏杰，王利科.基于HEC-RAS的二維潰壩洪水計算[J].四川水利，2020，41（2）：83-85.